电驱动系统——混动、纯电动与燃料电池汽车的能量系统、功率电子和传动

前言

第1部分车辆与能量源

第1章电动性和环境……3

1.1电机动力总成简史……4

1.1.1**部分——电动汽车诞生……4

1.1.2第二部分——电机动力总成的复苏……4

1.1.3第三部分——电机动力总成*终成功……6

1.2能源推进和排放……9

1.2.1燃料碳排放……10

1.2.2温室气体和污染物……11

1.3法规的出现……13

1.3.1监管注意事项和排放趋势……15

1.3.2大型货车法规……16

1.4EPA行驶工况……17

1.5BEV燃油消耗、续驶里程和等效燃油经济性……21

1.6传统动力总成和电机动力总成碳排放……22

1.6.1油井-车轮和摇篮-坟墓排放……25

1.6.2输电网络产生的排放……25

1.7传统汽车、电动汽车、混合动力汽

车和燃料电池汽车电力系统概论……26

1.7.1传统内燃机汽车……26

1.7.2纯电动汽车……27

1.7.3混合动力汽车……28

1.7.4燃料电池汽车……30

1.7.5传统汽车、电动汽车、混合

动力汽车和燃料电池汽车效率对比……30

1.7.6传统汽车、电动汽车、混合

动力汽车和燃料电池汽车

案例研究对比……31

1.8汽车和其他交通运输技术对比……32

参考文献……33

扩展阅读……34

问题……34

作业……35

第2章车辆动力学……36

2.1车辆载荷……36

2.1.1基础动力、能量和速度之间的关系……37

2.1.2空气动力阻力……37

2.1.3滚动阻力……40

2.1.4根据EPA滑行试验的车辆

道路-载荷系数……41

2.1.5恒速下纯电动汽车的续驶里程……44

2.1.6*大爬坡度……45

2.2车辆加速……47

2.2.1车辆制动能量回收……48

2.2.2牵引电机特征……48

2.2.3车辆加速度……50

2.3简化行驶工况车辆对比……53

参考文献……55

扩展阅读……55

问题……55

MATLAB代码示例……56

作业：BEV模型……59

目录●●●●●●●●●●电驱动系统——混动、纯电动与燃料电池汽车的能量系统、功率电子和传动

第3章电池……61

3.1电池介绍……61

3.1.1电池类型和电池组……61

3.1.2电池基本原理……64

3.1.3基础电化学……66

3.1.4电池能量储存单位……68

3.1.5放电率……69

3.1.6电池参数和比较……70

3.2生命周期和规格考虑事项……72

3.2.1电池选型案例……75

3.2.2电池组放电曲线和寿命……77

3.3电池充电、保护和管理系统……78

3.3.1电池充电……78

3.3.2电池失效和保护……79

3.3.3电池管理系统……80

3.4电池模组……80

3.4.1适应纯电动汽车电池模型的

简化新曲线……82

3.4.2电池组电压、电流、电阻和

效率……84

3.4.3混合动力汽车电池的简单曲线……86

3.4.4充电……87

3.4.5计算给定输出/输入功率下的

电池/电池组电压……88

3.4.6电池单体能量和放电率……89

3.5例：某固定齿轮速比纯电动汽车的能耗……91

参考文献……94

扩展阅读……94

问题……94

附录：一种简化的适应于纯电动汽车电池

的模拟曲线……96

第4章燃料电池……99

4.1燃料电池介绍……99

4.1.1燃料电池排放和上游

排放……100

4.1.2氢气的安全因素……101

4.2基本原理……102

4.2.1燃料电池模型和电池

电压……103

4.2.2燃料电池单体和燃料电池动力

系统的功率和效率……105

4.2.3燃料电池特征曲线……106

4.3燃料电池动力系统选型……107

4.3.1例：燃料电池单体

选型……107

4.3.2丰田Mirai……108

4.3.3配套设施……108

4.3.4DC-DC升压变换器……109

4.4燃料电池寿命……109

4.5例：重型货物牵引车-拖车组合

燃料电池系统选型……110

4.6例：燃料电池汽车燃油经济性……112

参考文献……115

问题……115

作业……116

第5章传统和混合动力总成……117

5.1混合动力汽车概述……117

5.2制动比油耗……119

5.3传统发动机、串联和串并联混合

系统的比较……123

5.3.1例：使用汽油或柴油发动机的

内燃机汽车的燃油经济性……123

5.3.2例：串联HEV的燃油经济性……128

5.3.3例：串并联混合动力汽车的

燃油经济性……130

5.3.4比较总结……132

5.4行星齿轮作为动力分配装置……133

5.4.12004款丰田普锐斯动力总成……134

5.4.2例：在电驱动模式下运行的

CVT（车辆起动和低速）……135

5.4.3例：CVT在全功率模式下运行……137

5.4.4例：CVT在巡航和发电模式下运行……138

参考文献……139

问题……139

作业139第2部分电机

第6章牵引电机介绍……143

6.1驱动电机概论……143

6.1.1直流电机……144

6.1.2交流电机……145

6.1.3牵引电机对比……149

6.1.4案例研究——火星探测器牵引电机……150

6.2电机定义……151

6.2.1四象限运行……152

6.2.2额定参数……152

6.2.3额定转矩……153

6.2.4额定转速和基本转速……153

6.2.5额定功率……153

6.2.6峰值转矩……153

6.2.7堵转转矩……154

6.3电机特性曲线……154

6.3.1恒转矩模式……154

6.3.2恒功率模式……154

6.3.3*高转速模式……155

6.3.4效率谱……155

6.4电机单元转换因子……157

参考文献……157

第7章有刷直流电机……158

7.1直流电机结构……158

7.2直流电机等效电路……160

7.3直流电机电路方程……161

7.3.1空载旋转损耗……163

7.3.2空载转速……163

7.3.3*大功率……163

7.3.4额定条件……163

7.4永磁直流电机功率、损耗及效率……164

7.5应用电力电子进行电机控制……165

7.6正向或反转模式下电机作为电动机

或者发电机运转……167

7.6.1例：应用永磁直流电机发电或者制动……168

7.6.2例：反转驱动……169

7.7磁饱和与电枢反应……170

7.8电动汽车动力总成使用PM直流电机……171

7.9电动汽车动力总成使用WF直流电机……173

7.10案例研究——火星探测器牵引电机……177

7.11电机热特性……179

7.11.1稳态温升案例……179

7.11.2瞬态温升案例……180

参考文献……181

问题……181

第8章感应电机……183

8.1定子绕组和旋转磁场……183

8.1.1定子磁流密度……185

8.1.2空间向量电流和旋转磁场……188

8.2感应电机转子电压、电流和转矩……191

8.2.1转子结构……191

8.2.2感应电机运转理论……192

8.3电机模型和稳态运转……193

8.3.1三相感应电机功率……196

8.3.2三相感应电机转矩……197

8.3.3感应电机相量分析……199

8.3.4当供给电流源时的电机运转……199

8.4感应电机的变速运转……207

8.4.1每Hz运转的恒定电压……208

8.4.2变速运行……208

8.5电机测试……212

8.5.1直流电阻测试……213

8.5.2锁定转子测试……213

8.5.3空载测试……214

参考文献……216

扩展阅读……216

问题……217

MATLAB代码示例……218

第9章面置式永磁交流电机……221

9.1SPM电机基本运转……221

9.1.1单线圈的反电动势……221

9.1.2单相反电动势……222

9.2SPM电机的单相分析……227

9.2.1SPM电机的单相等效电路模型……227

9.2.2SPM电机的相量分析……227

9.2.3电机磁饱和……234

9.2.4SPM电机转矩-速度特性……234

9.2.5超过额定转速的SPM电机的高速运行……235

9.2.6磁场弱化运行的电机特性……240

参考文献……242

扩展阅读……242

问题……242

MATLAB代码示例……243

第10章内置式永磁交流电机……245

10.1电机结构和转矩方程……245

10.2d轴和q轴电感……247

10.3内置式永磁电机测试……250

10.3.1空载旋转测试……250

10.3.2直流转矩测试……251

10.4低转速运转和基础理论……254

10.4.1例：额定条件下驱动……255

10.4.2单位电流*大转矩(MTPA)……257

10.4.3单位电压*大转矩（MTPV）

或单位磁通*大转矩(MTPF)……257

10.5内置式电机高速运转……257

10.6电机dq模型……259

10.6.1恒定电流变换……260

10.6.2恒定功率变换……262

参考文献……263

扩展阅读……263

问题……264

作业265第3部分功率电子

第11章DC-DC变换器……269

11.1简介……269

11.2电力变换的基本原则……272

11.2.1基本拓扑关系……273

11.2.2半桥降压-升压型双向变换器……274

11.3降压变换器……274

11.3.1CCM模式降压变换器电压增益分析……276

11.3.2降压变换器BCM运行……283

11.3.3降压变换器DCM运行……285

11.4升压变换器……290

11.4.1CCM模式下升压变换器电压增益分析……291

11.4.2升压变换器BCM运行……295

11.4.3升压变换器DCM运行……297

11.5功率半导体……300

11.5.1功率半导体功率损耗……301

11.5.2半导体功率总损耗和结温……304

11.6电力变换器无源元件……305

11.6.1电感选型……305

11.6.2电容选型……306

11.7交错……306

参考文献……309

扩展阅读……309

问题……309

作业……312

附录Ⅰ……312

附录Ⅱ：降压-升压变换器……313

第12章隔离型DC-DC变换器……314

12.1引言……314

12.1.1隔离型电力变换器的优点……314

12.1.2电力变换器类型……315

12.2正激变换器……316

12.2.1正激变换器中的CCM电流……318

12.2.2正激变换器中的CCM电压……322

12.2.3变压器选型……324

12.3全桥变换器……324

12.3.1硬开关全桥变换器的运行模式……325

12.3.2全桥变换器中的CCM电流……329

12.3.3全桥变换器中的CCM电压……334

12.4谐振电力变换器……334

12.4.1LCLC串联-并联谐振变换器……335

12.4.2用于感应充电的理想变换器特性……335

12.4.3基本模式分析和电流源运行……339

12.4.4模拟……342

参考文献……344

扩展阅读……345

问题……345

作业……346

附录Ⅰ斜坡和阶梯波形的RMS值和平均值……346

附录Ⅱ反激变换器……347

第13章牵引驱动器和三相逆变器……348

13.1三相逆变器……348

13.2调制方案……350

13.2.1正弦调制……350

13.2.2三次谐波的正弦调制……351

13.2.3过调制和方波……352

13.3正弦调制……354

13.3.1调制指数m……355

13.3.2逆变器电流……356

13.3.3开关、二极管和输入平均电流……357

13.3.4开关、二极管、直流母线、

输入电容的有效电流……358

13.3.5例：变换器电流……359

13.4变换器功率损耗……360

13.4.1IGBT和二极管传导损耗……360

13.4.2IGBT模块开关损耗……360

13.4.3半导体总功率损耗和结温……362

13.4.4例：再生电流……363

参考文献……364

扩展阅读……364

问题……364

作业……365

第14章电池充电……367

14.1充电系统基本要求……367

14.2充电器架构……368

14.3电网电压、频率和配线……370

14.4充电器功能……372

14.5充电标准和技术……377

14.5.1SAEJ1772……377

14.5.2VDE-AR-E

2623-2-2……377

14.5.3CHAdeMO……377

14.5.4Tesla……379

14.5.5无线充电……379

14.6功率因数校正升压变换器……380

14.6.1升压PFC功率级……381

14.6.2升压电感选型……383

14.6.3整流器中的平均电流……384

14.6.4开关和二极管平均电流……385

14.6.5开关、二极管和电容电流有效值……386

14.6.6功率半导体充电……387

参考文献……390

扩展阅读……391

问题……391

作业……392

第15章电驱动装置控制……393

15.1控制介绍……393

15.2电动机械系统建模……394

15.2.1机械系统……394

15.2.2永磁直流电机……396

15.2.3直流-直流变换器……397

15.2.4PI控制器……398

15.3转矩回路补偿设计……398

15.4速度控制回路补偿设计……400

15.5使用永磁直流电机电动汽车的加速性……401

15.6使用电磁直流电机电动汽车的加速性……402

参考文献……404

问题……404

MATLAB代码示例……405

第4部分电磁学

第16章电磁、铁磁和机电能量转换……411

16.1电磁……411

16.2铁磁……415

16.2.1磁滞……417

16.2.2硬铁磁和软铁磁材料……418

16.3自感……421

16.3.1电感器基本操作……421

16.3.2电感方程……423

16.3.3磁阻……425

16.3.4储存在磁场中的能量……428

16.3.5铁心损耗……429

16.3.6铜损……431

16.3.7面积乘积法……432

16.3.8高频操作和趋肤深度……433

16.4硬铁磁材料和永磁体……434

16.4.1例：剩余磁通密度……436

16.4.2例：反冲线……437

16.4.3例：由永磁体引起的气隙磁通密度……438

16.4.4*大能量积……439

16.4.5由永磁体引起的力……439

16.4.6电磁体……441

16.5变压器……442

16.5.1工作原理……442

16.5.2变压器等效电路……443

16.5.3变压器电压和电流……445

16.5.4使用面积乘积法确定变压器的大小……449

16.6电容器……449

16.7机电能量转换……452

16.7.1安培定则……452

16.7.2载流线圈转矩的一般表达式……453

16.7.3转矩、磁链和电流……454

16.7.4法拉第电磁感应定律……455

16.7.5楞次定律和弗莱明右手定则……455

参考文献……456

扩展阅读……456

扩展观察……457

问题……457

作业……460

参考转换表……460

Copyright2018 by John G.Hayes and G.Abas Goodarzi. All rights reserved. This translation published under license. Authorized translation from the English language edition, entitled Electric Powertrain by John G.Hayes and G.Abas Goodarzi, Revised and Updated, ISBN 9781119063643, by John G.Hayes and G.Abas Goodarzi, Published by John Wiley & Sons. No part of this book may be reproduced in any form without the written permission of the original copyrights holder. Copies of this book sold without a Wiley sticker on the cover are unauthorized and illegal.

本书中文简体字版由 Wiley 授权机械工业出版社出版，未经出版者书面允许，本书的任何部分不得以任何方式复制或抄袭。版权所有，翻印必究。

北京市版权局著作权合同登记 图字：01-2019-6068 号。